КАРТОЧКА ПРОЕКТА ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ И ПОИСКОВЫХ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ,
ПОДДЕРЖАННОГО РОССИЙСКИМ НАУЧНЫМ ФОНДОМ

Информация подготовлена на основании данных из Информационно-аналитической системы РНФ, содержательная часть представлена в авторской редакции. Все права принадлежат авторам, использование или перепечатка материалов допустима только с предварительного согласия авторов.

 

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

Номер 22-79-10007

НазваниеИспользование поляризационно-модового состояния светового поля для прецизионной лазерной обработки азополимеров и халькогенидных стекол

РуководительПорфирьев Алексей Петрович, Кандидат физико-математических наук

Организация финансирования, регион Федеральное государственное бюджетное учреждение "Национальный исследовательский центр "Курчатовский институт", г Москва

Период выполнения при поддержке РНФ 07.2022 - 06.2025 

Конкурс№71 - Конкурс 2022 года «Проведение исследований научными группами под руководством молодых ученых» Президентской программы исследовательских проектов, реализуемых ведущими учеными, в том числе молодыми учеными.

Область знания, основной код классификатора 09 - Инженерные науки, 09-711 - Методы наноструктурирования (нанолитография и сопутствующие процессы)

Ключевые словаСтруктурированные лазерные пучки, поляризационно-модовое состояние, продольная компонента поля, амплитуда, поляризация, лазерная обработка, азополимеры, халькогенидные стекла, микроструктуры, наноструктуры, микрооптика

Код ГРНТИ29.33.47

 

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
В последние годы структурированные лазерные пучки со сложным распределением амплитуды, фазы и поляризации всё активнее используются в области прецизионной лазерной обработки материалов. Их использование позволяет контролировать морфологию формируемых на поверхности и в объеме материалов структур как на микро-, так и на нано-уровне. Например, распределение поляризации позволяет задавать ориентацию лазерно-индуцированных периодических поверхностных структур, а пучки со спиральным волновым фронтом и их суперпозиции могут быть использованы для формирования закрученных микроструктур даже внутри образцов полимерных материалов. Еще больше возможностей появляется при использовании структурированного лазерного излучения при обработке поляризационно-чувствительных материалов, таких как различные азополимеры и халькогенидные стекла (ХС). Многослойные структуры на основе халькогенидных стеклообразных полупроводников (ХС) и азополимеры являются перспективными оптически чувствительными материалами, используемыми для динамических систем оптического преобразования и передачи сигналов, записи и хранения данных. Такие материалы способны изменять своё состояние под воздействием лазерного излучения не только в зависимости от амплитуды, но и поляризации. Недавние разработки показали высокую чувствительность таких материалов как к поперечным, так и к продольным компонентам светового поля. Их совместный учет должен обеспечить беспрецедентный уровень контроля профилей формируемых в полимерах нано- и микроструктур необходимый для создания различных элементов плоской и трехмерной микро-оптики и компонентов нанофотоники. Данный проект направлен на разработку методов прямой лазерной записи поверхностных и объемных структур в азополимерах и ХС с заданными профилями за счет использования дополнительных степеней свободы модуляции поляризации, фазы и амплитуды падающего излучения. Такие структуры предполагается формировать за счет применения поляризационно-модовых состояний структурированных световых полей, сформированных с использованием обобщенных методов дифракционной оптики. При этом особое внимание будет уделено исследованию методов формирования световых полей с заданной продольной компонентой поля. Массоперенос, вызванный продольной составляющей света, в случае азополимеров был продемонстрирован с использованием радиально, азимутально и циркулярно поляризованных пучков Бесселя и показал, что чувствительность азополимеров к состоянию поляризации вызывает деформации поверхности, которые пропорциональны именно продольной компоненте электрического поля. Результаты данного проекта заложат основу для реализации масштабного и дешевого производства анизотропных элементов микрооптики, которые в будущем могут стать элементами более сложных устройств интегральной оптики и биофотоники – например, генераторов световых пучков с орбитальным угловым моментом и цилиндрической поляризацией для реализации передачи информации с модовым уплотнением каналов, а также элементов детектирования поляризации и других характеристик излучения в устройствах приема и обработки сигналов для оптических чипов и процессоров, способных быстро обрабатывать и кодировать информацию.

Ожидаемые результаты
Основным результатом, полученным в рамках реализации данного проекта, станет разработка эффективной технологии прецизионной лазерной обработки тонких пленок азополимеров и халькогенидных стекол. Реализация проекта открывает перспективы для создания новых уникальных элементов полимерной фотоники, позволяя вывести эти исследования на новый уровень как в России, так и в мире, а также предполагает получение серии научных результатов, имеющих важное фундаментальное и практическое значение. В частности, будут исследованы фундаментальные механизмы взаимодействия структурированного по амплитуде/фазе и поляризации излучения с тонкими пленками исследуемых полимеров. На основе результатов фундаментальных исследований будут выявлены оптимальные условия для их прецизионной обработки, обеспечивающие максимальное разрешение записи требуемых двух- и трехмерных нано- и микроструктур с максимальной повторяемостью их профилей. Комплексное исследование морфологии облученных участков тонких пленок азополимеров и халькогенидных стекол методами оптической, ближнепольной, атомно-силовой микроскопии позволит получить данные о влиянии тех или иных параметров используемого структурированного лазерного излучения на процессы фотоизомеризации молекул и массоперенос расплавленного материала. Это в свою очередь позволит предсказывать профили формируемых нано- и микрорельефов. В итоге в результате реализации проекта будут разработаны способы формирования структурированных лазерных пучков для реализации прямой лазерной записи новых типов уникальных элементов микрооптики, включающих различные типы микроаксиконов (в том числе и закрученные микроаксиконы), микролинзы и многосекторные синусоидальные микропластинки, а также микроструктуры с заданным трехмерным профилем. Полученные в проекте результаты покажут важное влияние распределения продольной компоненты светового поля на структуру формируемого в тонких пленках азополимеров и халькогенидных стекол рельефа. Таким образом, данный проект демонстрирует важность исследований, посвященных разработке методов проектирования структурированных лазерных пучков с заданным распределением продольных компонент и должен привести к заметному росту исследований в этом направлении. Достижение заявленных результатов по формированию уникальных микроструктур создаст мотивацию для поиска и развития новых концепций структурирования полимерных материалов. Прикладная значимость результатов проекта связана с возможностью реализации на их основе масштабного и дешевого производства анизотропных элементов микрооптики, которые в будущем могут стать элементами более сложных устройств интегральной оптики и биофотоники – например, генераторов световых пучков с орбитальным угловым моментом и цилиндрической поляризацией для реализации передачи информации с модовым уплотнением каналов, а также элементов детектирования поляризации и других характеристик излучения в устройствах приема и обработки сигналов для оптических чипов и процессоров, способных быстро обрабатывать и кодировать информацию. Общественная значимость проекта заключается в том, что он направлен на развитие в России области полимерной фотоники с высоким уровнем научной и прикладной составляющей. Успешная реализация проекта способствует обучению молодых исследователей на задачах высокого международного уровня, может привести к созданию стартапов и новых рабочих мест в инновационном секторе российской экономики. Кроме того, выполнение данного проекта будет способствовать эффективной передаче накопленного опыта и наработок авторов проекта в области формирования структурированных лазерных пучков и их использования для лазерной обработки материалов молодым специалистам и аспирантам, а также повышению уровня проводимых научных исследований и качества публикаций. Полученные результаты будут оригинальными и иметь высокий мировой уровень, что будет подтверждено публикациями в высокорейтинговых международных изданиях, индексируемых в базах данных Web of Science и SCOPUS. По результатам исследований будет опубликована серия статей. На каждом из этапов выполнения проекта планируется публикация по четыре статьи. Все статьи будут опубликованы в журналах, индексируемых в базах данных «Сеть науки» (Web of Science Core Collection) или «Скопус» (Scopus). В том числе не менее шести статей (за весь период выполнения проекта) будет опубликовано в журналах из квартиля Q1 рейтинга SJR (SCImago Journal Rank). Кроме того, результаты, полученные в ходе выполнения настоящего проекта, будут внедрены в учебный процесс при подготовке бакалавров и магистров по направлениям нанотехнологий, прикладной математики и физики, фотоники, а также математического моделирования, что даст студентам возможность получать самую актуальную информацию в области формирования структурированных лазерных пучков, исследования их свойств и их использования в приложениях лазерной обработки материалов.

 

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Аннотация результатов, полученных в 2022 году
В соответствии с планом работ на первый год в ходе выполнения проекта были разработаны и исследованы методы прецизионной лазерной обработки тонких пленок азополимеров и халькогенидных стекол структурированными лазерными пучками с заданным модовым составом. Так, для эффективной реализации спиралевидного массопереноса материала в тонких пленках азополимеров и изготовления мультиспиральных микроструктур с заданным числом спиралей был предложен метод, основанный на двухлучевой интерференционной литографии. Использование одного оптического вихревого пучка со спиралевидным волновым фронтом и заданным топологическим зарядом и одного Гауссова пучка со сферическим волновым фронтом позволяет контролировать как число формируемых спиралей микрорельефа, так и частоту спиралей. Такие мультиспиральные микроструктуры формируются и при линейной, и при круговой поляризации излучения, однако при круговой поляризации их симметричность выше. Также был разработан метод одновременного изготовления множества вытянутых микровыступов с контролируемой ориентацией оси в тонких пленках азополимера. Метод основан на использовании структурированных световых полей, сформированных с использованием различных поляризационных фильтров в 4-f оптической системе. Эффективность метода была продемонстрирована при использовании поляризационных фильтров, формирующих линейную поляризацию с двумя разными углами поляризации, а также цилиндрическую поляризацию первого и второго порядка. Два этих метода могут быть использованы для изготовления дифракционных решеток сложной формы, дифракционных оптических элементов и метаповерхностей. Теоретическая модель, основанная на анализе инвертированной интенсивности продольной компоненты поля, разработанная для предсказания профилей микроструктур, формируемых в тонких пленках азополимеров при обработке такими структурированными световыми полями, также позволила сделать предположение о возможности экспериментальной демонстрации векторного спин-орбитального эффекта Холла в тонких пленках азополимеров. В итоге это было сделано с использованием смещенных и несмещенных относительно центра фокусирующего микрообъектива вихревых пучков с линейной и круговой поляризацией. Было показано, что в одних случаях формируются симметричные микроструктуры, а в других - несимметричные, несмотря на то, что освещающие световые поля имеют практически идентичные распределения полной интенсивности. Также в проекте был предложен новый метод формирования поверхностных решеток в тонких пленках халькогенидных стекол за счет использования одного деполяризирующего элемента без использования каких-либо схем интерференционной литографии. Использование деполяризирующего элемента для преобразования однородного распределения линейной поляризации Гауссова пучка в пространственно-неоднородное распределение поляризации идентичное по структуре распределению, формируемому в случае интерференции двух Гауссовых пучков с левой и правой круговой поляризацией, позволило формировать поверхностные решетки с дискретной и непрерывной переориентацией канавок. Разработанный метод позволяет управления высотой рельефа и периодом формируемых решеток. В результате нами были изготовлены поверхностные решетки с минимальным периодом 4 мкм. Однако, использование деполяризирующих элементов с большим разрешением и использование для фокусировки сформированных структурированных световых полей на поверхности пленок микрообъективов с большей числовой апертурой и большим увеличением должно позволить добиться субмикронных и даже субволновых периодов формируемых решеток. Одним из ключевых результатов проекта также является разработка оптических схем для контролируемого структурирования тонких пленок азополимеров и халькогенидных стекол, которые позволили получить представленные выше результаты. При этом был рассчитан и оптимизирован ряд элементов для формирования структурированных пучков и их наборов. Данные элементы были использованы для эффективной лазерной обработки тонких пленок. Результаты, полученные в отчетный год выполнения проекта, опубликованы в ведущих международных журналах по оптике (Progress in Quantum Electronics, Nanomaterials, Sensors), а также представлены на конференциях в виде приглашенного и устного докладов, что подтверждает их высокую научную и практическую значимость.

 

Публикации

1. Порфирьев А.П, Ивлиев Н.А., Фомченков С.А., Хонина С.Н. Multi-Spiral Laser Patterning of Azopolymer Thin Films for Generation of Orbital Angular Momentum Light Nanomaterials, Vol. 13, No. 3, P. 612 (год публикации - 2023) https://doi.org/10.3390/nano13030612

2. Порфирьев А.П, Хонина С.Н., Ивлиев Н.А., Фомченков С.А., Порфирьев Д.П., Карпеев С.В. Polarization-Sensitive Patterning of Azopolymer Thin Films Using Multiple Structured Laser Beams Sensors, Vol. 23, No. 1, P. 112 (год публикации - 2023) https://doi.org/10.3390/s23010112

3. Порфирьев А.П., Хонина С.Н., Кучмижак А.А. Light–matter interaction empowered by orbital angular momentum: Control of matter at the micro-and nanoscale Progress in Quantum Electronics, Vol. 88, P. 100459 (год публикации - 2023) https://doi.org/10.1016/j.pquantelec.2023.100459

4. Порфирьев А.П., Хонина С.Н., Ивлиев Н.А., Фомченков С.А., Порфирьев Д.П. Laser Processing of Polarization-Sensitive Media with Structured Light Handbook of 20th Asia-Pacific Conference on Fundamental Problems of Opto- and Microelectronics APCOM-2022, P. 18 (год публикации - 2022)

Аннотация результатов, полученных в 2023 году
В соответствии с планом работы за отчётный год в проекте были разработаны несколько оптических схем для осуществления лазерного нано- и микроструктурирования тестовых тонких плёнок азополимеров и халькогенидных стёкол с использованием неоднородно-поляризованных лазерных пучков. Были разработаны оптическая схема для реализации установки проекционной литографии с использованием многолучевой интерференции лазерных пучков с различными состояниями поляризации, оптическая схема для реализации установки проекционной литографии с использованием световых полей со структурированным распределением поляризации, сформированных с помощью комбинаций деполяризаторов, q-волновых пластинок и полуволновых пластинок, а также оптическая схема на основе пространственного модулятора света HOLOEYE LC 2012 для лазерной обработки тонких плёнок светочувствительных материалов с помощью световых полей с заданным распределением поляризации. Разработанные схемы позволили создавать упорядоченные массивы микроструктур на поверхности тонких плёнок азополимеров и халькогенидных стёкол, реализовать запись линейных и вилкообразных поверхностных решёток в тонких плёнках халькогенидных стёкол и азополимеров с контролируемым периодом и порядком решёток от 2 до 12, а также реализовать спиралевидный массоперенос в тонких азополимерных плёнках и изготовить спиралевидные микроструктуры с контролируемым профилем вдоль азимутального угла в полярных координатах. Для успешной реализации таких типов лазерной обработки предварительно численно и экспериментально было исследовано формирование структурированных световых полей в разработанных оптических схемах. Результаты численных и натурных экспериментов находились в хорошем согласии и позволили провести оптимизацию структуры использованных для лазерной обработки световых полей. Кроме того, была модифицирована теоретическая модель, описывающая формирование микрорельефов в тонких плёнках фоточувствительных материалов под действием световых полей с однородным распределением амплитуды и неоднородным распределением поляризации в виде линейных и вилкообразных поляризационных решёток. Благодаря ей было предсказано удвоение порядка формируемых поверхностных вилкообразных решёток в тонких плёнках светочувствительных материалов по сравнению с порядком вилкообразной поляризационной решётки, освещающей образец. Также была разработана качественная модель формирования спиралевидных микрорельефов за счёт обработки образцов световыми полями с однородным распределением амплитуды и неоднородным распределением поляризации. Эта модель показала возможность осуществления контроля выпуклости формируемых спиралевидных микрорельефов на поверхности тонких азополимерных плёнок. Для успешного проведения поляризационной фильтрации в схемах проекционной многолучевой литографии были изготовлены бинарные дифракционные делители пучка, а также фильтрующие амплитудные маски. В сочетании с различными поляризующими элементами эти элементы были успешно применены для лазерной обработки тонких плёнок халькогенидных стёкол и азополимеров и показали возможность создания упорядоченных массивов различных микроструктур. С использованием поляризационной видеокамеры ImagingSource DZK 33UX250, позволяющей получать параметры Стокса исследуемых световых полей, были восстановлены и проанализированы структуры поляризации сформированных этими элементами световых полей. Было показано хорошее соответствие полученных распределение рассчитанным распределениям. Проведенный с помощью атомно-силовой микроскопии анализ структуры изготовленных микрорельефов показал возможность формирования микрорельефов с субмикронным (0,95 мкм) периодом. А проведенные эксперименты по использованию изготовленных микрорельефов для формирования структурированных световых полей показали возможность формирования с их помощью массивов Гауссовых пучков, оптических вихревых пучков различных порядков, а также одиночных кольцеобразных и спиралевидных пучков. Таким образом предложенные в проекте подходы повышают эффективность и скорость лазерной обработки тонких плёнок светочувствительных материалов, а также предоставляют ранее не демонстрированные возможности по реализации контролируемого спиралевидного массопереноса за счёт только поляризационной структуры освещающего светового поля. Разработанные методы и проведённый глубокий анализ полученных результатов позволили авторам проекта опубликовать ряд статей в ведущих международных журналах по оптике (Optics & Laser Technology, Sensors, Applied Optics и другие), а также сделать ряд докладов на ведущих международных конференциях по оптике и лазерной обработке материалов, что подтверждает их высокую научную и практическую значимость.

 

Публикации

1. Ахметов Л.Г., Порфирьев А.П., Хонина С.Н. Recognition of Two-Mode Optical Vortex Beams Superpositions Using Convolution Neural NetworksRecognition of Two-Mode Optical Vortex Beams Superpositions Using Convolution Neural Networks Optical Memory and Neural Networks (Information Optics), Vol. 32, Suppl. 1, pp. S138–S150 (год публикации - 2023) https://doi.org/10.3103/S1060992X23050028

2. Порфирьев А.П., Хонина С.Н., Ивлиев Н.А., Порфирьев Д.П. Laser processing of chalcogenide glasses using laser fields with a spatially varying polarization distribution Optics & Laser Technology, Vol. 167, P. 109716 (год публикации - 2023) https://doi.org/10.1016/j.optlastec.2023.109716

3. Порфирьев А.П., Хонина С.Н., Ивлиев Н.А., Порфирьев Д.П., Казанский Н.Л. Stacked Polarizing Elements for Controlling Parameters of Surface Relief Gratings Written in Photosensitive Materials Sensors, Vol. 24, No. 4, P. 1166 (год публикации - 2024) https://doi.org/10.3390/s24041166

4. Порфирьев А.П., Хонина С.Н., Порфирьев Д.П., Ивлиев Н.А. Structured polarized laser beams for controlled spiral-shaped mass transfer in azopolymer thin films Applied Optics, Vol. 63, No. 14, P. 3779-3784 (год публикации - 2024) https://doi.org/10.1364/AO.521196

5. Порфирьев А.П., Хонина С.Н., Устинов А.В., Ивлиев Н.А., Голуб И. Vectorial spin-orbital Hall effect of light upon tight focusing and its experimental observation in azopolymer films Opto-Electronic Science, Vol. 2, No. 7, P. 230014 (год публикации - 2023) https://doi.org/10.29026/oes.2023.230014

6. Порфирьев А.П., Хонина С.Н., Ивлиев Н.А., Порфирьев Д.П. Double depolarizer for controllable laser writing surface relief graings in chalcogenide glasses Abstracts of the 30th International Conference on Advanced Laser Technologies 2023, LM-P-11 (год публикации - 2023)